【固体氧化燃料电池SOFC发展研究的国内外文献综述4700字】

PAGE9PAGE9固体氧化燃料电池SOFC发展研究的国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u145691.1燃料电池的发展历程 193461.2.1燃料电池的背景及发展 178081.2.2燃料电池的简介及分类 214746一、碱性燃料电池(AFC) 220156二、磷酸型燃料电池(PAFC) 25872三、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 314007四、质子交换膜燃料电池（PEMFC） 3172五、固体氧化物燃料电池（SOFC） 3121901.2固体氧化燃料电池SOFC发展状况 487751.3.1固体氧化物燃料电池SOFC的国内发展 466561.3.2固体氧化物燃料电池SOFC的国外发展 56434参考文献 5燃料电池的发展历程1.2.1燃料电池的背景及发展在人类发展的历史长河中，燃料电池在十九世纪四十年代才开始出现，肖恩本在偶然做实验时发现燃料有电化学反应，他现在一个电极上通入氢气燃料，而在另一个电极通入氧气，居然在两个电极分别发生化学反应，两极的闭合回路中产生电流，于是提出了燃料电池的反应理论，这是开创了一个崭新的时代。然而在学术界认为第一个燃料电池装置是由英国人格罗夫在十九世纪三十年代末期发明的。然而并没有因燃料电池这一名词的出现而深入研究并广泛应用。在后来的研究者中英国人格罗夫，孟德在格罗夫的基础上进一步又发明了一种新的气体电池，但这并不完美，这装置仍需进一步完善。实验中会生成一氧化碳，而一氧化碳会使铂催化剂失效的问题。，降低了实验的效率。随着人类在研究燃料电池中投入的力度越来越大，这种新型的发电技术也越来越趋于成熟化。在进入二十世纪六十年代，美国的通用电气公司（GE）与美国国家航空航天局（NASA）合作研发出了第一个可实际应用的燃料电池堆，将其应用于发展太空技术的航天器的电力来源。在一九六五年燃料电池技术首次应用于美国的航天器-双子星五号上，由于有了这样的成功案例，很多国家效仿在航空航天领域中广泛应用，发挥了重要作用，很多学者考虑将燃料电池运用于其他的方面，例如精密仪器以及高科技含量的设备。1.2.2燃料电池的简介及分类燃料电池是一般时是以氢气和甲烷、丙烷等作为燃料，燃料电池的工作原理是将燃料中的化学能直接转化为电能。区别于以前的传统电能装置在于过程中不需要进行燃烧，这样可以避免了反应中的卡诺循环损失，大大提高了转化效率，最大可高达百分之八十。燃料电池的类型包括以下：分为氢氧燃料电池和有机化合物燃料电池；其中氢氧燃料电池依据电解质性质又可分为不同又分为：酸性、碱性、熔融盐燃料电池三类；依据温度的不同又将燃料电池分为：低中温和高温型燃料电池。依据又将燃料电池中的电解质和工作原理的不同：可将其分为固体氧化物燃料电池（SOFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、碱性燃料电池（AFC）和熔融碳酸燃料电池（MCFC）。这五种燃料电池的比较如图1.1所示。通过我们的了解可知：现阶段运用技术上最稳定电池是碱性燃料电池（AFC），碱性燃料电池主要用于航空设备；其中磷酸燃料电池（PAFC）的商业化应用程度是以上燃料电池中最高，但弊端在于造价高和工作时需要铂催化剂的催化（但可能会产生一氧化碳使铂催化剂中毒）；熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）发展相对于其他的发展比较成熟，然而质子交换膜燃料电池的商业化应用化比较低，又受到电解质膜成本过高的制约。最主要的与其他的燃料电池相比，固体氧化物燃料电池（SOFC）具有十分明显的优势，主要是由于S固体氧化物燃料电池的电解质材料相对易获得，并且价格不贵，再比其他类型的燃料相比，固体氧化物电池制造和维护的成本价格低廉、寿命长、无电极毒化、噪音小。依据燃料电池中电解质材料类型的划分将燃料电池分为五种类型燃料电池的比较：碱性燃料电池(AFC)电解液的导电离子是氢氧根离子，故水溶液呈现碱性水，电解质一般是NaOH和KOH水溶液。氢氧根离子导电性好，在设备中极化现象明显小，故应主要用于航空设备即使在常温下也能正常工作。但弊端问题是碱性水溶液的腐蚀性较强，故对其材料的要求比较高。启动的时间相对来说比较短。二氧化碳会与碱性电解液发生反应生成盐，这类因此燃料电池要求原料气和助燃气中不能含有二氧化碳，对装置的密封性要求也比较高。磷酸型燃料电池(PAFC)电解液的导电离子是磷酸根离子。水溶液呈现酸性，同样采用酸性电解液可克服气体中二氧化碳生成盐化学反应，降低了对原料气、助燃气纯度的要求，使得普通的空气就可以用来作为助燃气体。但弊端问题是酸的腐蚀性很强，因此对电池中电极材料、电池材料都提出了更高的耐腐蚀要求。磷酸根离子在常温下的解离度较小，但随着温度升高会使其解离度而提高其导电性能。这类燃料电池的操作温度一般要求比较高。三、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)采用熔融的碳酸盐是以碳酸根离子作为导电离子，电解液中没有水。MCFC燃料电池用一氧化碳作为原料气，这样导致以固态煤作为原料，将煤进行一系列转化成煤气，然后输人到MCFC中发电。这对于煤炭资源丰富的国家来说，MCFC是一种高效利用价值的发电方式。MCFC操作温度在600°C~750"C范围内。温度高有利于提高电化学反应的活性，，大大提高了化学反应效率，也同样降低了对催化剂的要求，可以使用非贵金属材料作为催化剂。但高温下的液态电解质对电极材料有严重腐蚀。四、质子交换膜燃料电池（PEMFC）质子交换膜作为燃料电池导电离子是氢离子。PEMFC是最新开发成熟的能量密度最高的一种燃料电，被称为第五代燃料电池。其膜其质子导电性较好，而且耐腐蚀性极好，使用寿命很长。五、固体氧化物燃料电池（SOFC）固体氧化物电池是第四代燃料电池，SOFC的导电离子是O2−，SOFC是一种在高温下将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，具有能量密度高、效率高的化学发电装置。固体氧化物燃料电池是属于化学能高、环境友好型的转化为电能的全固态化学发电装置，是现阶段以有的燃料电池中，所有能量密度中最高的一种，也是理论上认为广泛应用的一种燃料电池。操作压力是常压，腐蚀性比较低，是现有的燃料电池中效率最高的，SOFC燃料电池中在高温下有些固体氧化物具有良好的导电性，可以用作燃料电池中的电解质。SOFC通常是氧化锆作为固体电解质，氧化钴固体电解质不会腐蚀电极材料.依照对燃料的处理方式不同，可将燃料电池分为直接式和重整式两种。直接式是指对燃料不进行转化处理，直接送入燃料电池内进行电化学反应发电，如氢燃料电池和氨气燃料电池等等。重整式是指将难以直接进行电化学反应的燃料先进行化学处理，转化成氢气或一氧化碳后再送入电池内进行电化学反应发电，如乙醇或煤等等。有些燃料既有直接式的，也有重整式的，。不同类型燃料电池的比较类型SOFCPEMECPAECMCFCAFC导电离子OHHCO工作温度600℃−1000℃20℃−80℃180℃—220℃650℃—700℃80℃—230℃电解质氧化锆全氟磺酸膜正磷酸碳酸钠氢氧化钠操作压力常压<0.5MPa<0.8MPa<1MPa（2.2—45）×105Pa氧化气体氧气氧气氧气氧气氧气最高效率75%45%50%60%55%燃料气体氢气、天然气等氢气、天然气等氢气、天然气等石油、天然气氢氧化钠腐蚀性弱无强强强启动时间>10min<5s几分钟>10min<1min固体氧化燃料电池SOFC发展状况固体氧化物高温燃SOFC是第四代燃料电池，是所有的燃料中温度最高的燃料电池，虽然这个技术领域起步比较迟，因其属于工作温度高、全部是固体化、容易模块化组装成一个模块、环境友好型、转化效率高、便于携带等优势，目前应用SOFC已成为新型能源燃料电池领域的一个热门研究方向和技术热点，正在在传播上具有更高的利用价值，故可以利用船舶中的如LNG船舶天然气整体所需的能量，也可用于代替燃油锅炉在船舶航行时为船舶生产蒸汽，在船舶上和燃油锅炉和组成联合式锅炉，适应于船舶应用中生产分布式蒸汽。目前国内国外关于这个方向的发展呈现直线式增长。因其前景优越，故其现阶段对固体氧化燃料电池的研究非常客观。1.3.1固体氧化物燃料电池SOFC的国内发展国内在这一方向的发展相比于国外的发展起步比较晚，但众多学者和有关研究领域投入了大量的财力和物力进行了固体氧化物SOFC的自主应用化研究，并且已经取得不错的研究化进展。自从二十世纪七十年代开始,上海化学的硅盐研究所已经基本开始了SOFC的装置等技术型研究工作，是我国最早开展和固体氧化物燃料电池相关技术研究的综合性科研机构。进入二十一世纪，位于上海的化学硅盐所成功的实验了一千瓦级固体氧化物燃料电池的热电联供系统实验，标志着近年来我国电化学SOFC的技术发展经进入了系统实验的开发.与技术优化的阶段。二十世纪一十年代，上海硅盐所完成了第-一个单电池到整个电池反应堆的技术攻关,成功研制出具有自主知识产权的固体氧化物燃料电池发电系统。在后来发展中，大连化物所研究员对如何将高温固体氧化物单电池密封材料应用到供电系统的问题进行了深入的研究。在刚开始阶段其装置实现了先进的高温单电池密封技术，成功地组装了管式与平板式的两种SOFC单电池,其最大的输出功率分别为2000mw/cm2。在二十一世纪初期，中科院化物在管式组装技术成熟的条件下成功制备出长度达400毫米的中温管式膜电极，随着不断地实验并取得巨大成功，堆固体氧化物燃料电池的的商业化应用起到了推动。在数值仿真方面,何欢欢等人从三维电池研究，研发出了一款进口与出口的电池堆的流量分布，发现肋条的设计方式的不同对电池堆的流量会产生显著的影响。同时对比了圆柱形和直方形肋条对计算结果的影响，发现圆柱形有助于电池堆的流量分布更加均匀。1.3.2固体氧化物燃料电池SOFC的国外发展在二十世纪三十年代前后，Bauer研发了世界上第一个以氧化锆为电解质的固体氧化物燃料电池，然而这个发展背景并不理想，直到二十世纪六十年代美国一家公司才开发了具有商业应有前景的燃料电池，，对未来能源的考虑，欧美和日本、德国等国家启动研发计划，这对未来燃料电池的进步具有里程碑意义。Nernst等人在十九世纪末成功发现了一种固体氧化物的电解质并成功将其应用安装在了他们的燃料电池上。在西门子大力发展船舶应用的同时，也将固体氧化物燃料电池列入研究计划上，西门子公司在东京与大阪成功安装了3kw管式SOFC风力发电机组，标志着西门子关于固体氧化物电池从理论实验慢步进入研究化阶段，并逐渐走向了国际化应用。进入二十一世纪之后，中温平板式电池被美国列入能源计划，其工业团队主要工作服务于航天计划。20世纪初期，三菱重工与日本电力技术开发株式会社共同合作研发成功10kw级管式的SOFC发电系统。2004年，德国FZJ研究技术中心设计由60个单化石燃料电池变压器组成的F型化石燃料电池堆[6]。自2002起，美国开始大力投入对质子交换膜2006年，英国电力公司C公司采用先进的SOFC叠放式电池堆结构设计技术和先进的集成叠放式电池堆结构设计技术联合开发成功大型住宅用1~25kwCHP系统。KEPCO于2006年研发成功一组10kw级的化石燃料电池堆结构设计系统，并于2007年在10kw的交流变压器输出功率的质量和效率基础.上达到41%HHV。自2002起，美国开始大力投入对质子交换膜燃料电池汽车的研发和量产上,并大力资助氢能和燃料电池的研究，开始从化石能源向新能源过渡，同时，美国为了大力发展鼓励民众购买以燃料电池为驱动力的电动汽车，实施了相当多的优惠政策。参考文献[1]肖钢.燃料电池技术[M].北京:电子工业出版社,2009.[2]毛艺乔.固体氧化物燃料电池的仿真和控制[J].硕士学位论文,西南交通大学,2019.[3]施红玉.固体氧化物燃料电池多物理场[J].硕士学位论文,中国科学技术大学,2017.[4]石井弘毅.燃料电池原理与应用[M].北京:科学出版社,2003:17-40.[5]衣宝廉.燃料电池——高效、环境友好的发电方式[M].北京:化工工业出版社,2000:15-36.[6]陈军,陶占全.能源化学[M].北京:化学工业出版社,2004.[7]CheiKH,PeckDD,etal.WatertransportinpolymermembranesforPEMFC[J].JournalofPowerSource.2000,(S6):197-201.[8]蒋建华.平板式固体氧化物燃料电池系统地动态建模与控制[D].武汉:华中科技大学图书馆,2013.[9]NguyenQM.CeramicFuelCells[J].Am.Ceram.Soc,1999,76(3):563-588.林维明,马紫峰.燃料电池系统[M]